trends in automation: Professor Ullrich, il PTB è famoso per la precisione dei suoi orologi ed è considerato un'autorità in materia di orari. Ma, che cos'è realmente il tempo?
Prof. Joachim H. Ullrich: Si tratta di una questione piena di sfaccettature. Noi fisici la facciamo semplice e definiamo il tempo mediante processi prevedibili e ricorrenti, ad esempio la rotazione terrestre o un pendolo. Questa definizione così pragmatica ci è stata trasmessa da Albert Einstein, membro onorario del PTB e Nobel per la fisica. Il tempo, poi, è quello scandito dall'orologio. Da Einstein abbiamo appreso inoltre che il tempo è relativo, ad esempio trascorre più lentamente quando ci muoviamo o ci troviamo in difficoltà. E relativa è anche la percezione umana del tempo. Citando liberamente Einstein, due minuti in compagnia di una bella ragazza sembrano pochissimi, mentre due minuti su un forno caldo possono sembrare infinitamente lunghi.
Ci sono poi altre questioni molto dibattute, ad esempio se il tempo abbia un inizio e una fine e quanto duri di fatto il presente nella percezione umana. Anche l'orologio biologico e le peculiarità culturali in relazione al tempo sono argomenti attuali e di grande interesse trattati dalla scienza.
trends in automation: Come si misura il tempo?
Ullrich: Con un pendolo, ad esempio. Quanto più è corto, tanto più il pendolo oscilla velocemente e misura il tempo con maggiore precisione. Ancor più precisi sono gli orologi al quarzo, in cui un cristallo viene fatto oscillare con la tensione elettrica. Il cristallo oscilla più di 30.000 volte al secondo. Attualmente, però, gli orologi più precisi sono quelli atomici, anche se gli atomi al loro interno non oscillano. Al loro posto intervengono raggi elettromagnetici, più precisamente microonde. Oscillano molto più velocemente di un cristallo al quarzo, circa nove miliardi di volte al secondo. L'irradiazione delle microonde eccita gli elettroni degli atomi di cesio. E poiché questo metodo funziona soltanto se i raggi hanno una determinata frequenza di oscillazione, possiamo definire il valore di un secondo e determinarlo con grande precisione.
Ovviamente, dobbiamo controllare costantemente che il ciclo definito sia corretto e che gli elettroni vengano effettivamente eccitati. A tal fine, inviamo gli atomi di cesio in un raggio orizzontale attraverso i campi magnetici e delle microonde e, tramite un rilevatore posto nel punto opportuno, contiamo soltanto gli atomi i cui elettroni sono eccitati. Nei nostri due orologi più precisi, la disposizione è diversa e gli atomi di cesio vengono messi in perpendicolare verso l'alto come una fontana, attraverso il campo delle microonde. Quando ricadono, attraversano il campo cadendo una seconda volta. Con questi orologi atomici riusciamo a stabilire il secondo con una precisione di sedici posizioni decimali.
trends in automation: Una tale precisione non è necessaria per gli orologi da polso o gli orologi stradali. E allora a cosa serve una precisione così elevata?
Ullrich: Le imprecisioni si accumulano, e anche abbastanza velocemente. Per questo motivo, solo con orologi molto precisi possiamo garantire una precisione elevata a lungo termine. Inoltre, è importante misurare il tempo con precisione, soprattutto per questioni scientifiche. Uno degli argomenti caldi al PTB è, ad esempio, la questione dell'effettiva costanza delle costanti naturali, come la cosiddetta costante di struttura fine, su cui incidono anche la velocità della luce e il quanto d'azione (costante di Planck). Ci sono prove del fatto che non lo siano. Se questo sospetto venisse confermato, le conseguenze sarebbero enormi, perché molte leggi e molti modelli si basano sulle costanti naturali. Già negli anni Trenta, quando i secondi erano definiti ancora come frazione della rotazione terrestre, era successo che le misurazioni precise invalidassero alcune assunzioni date per certe. A quei tempi nel PTB abbiamo messo in funzione gli orologi al quarzo più precisi dell'epoca. I ricercatori hanno appurato che la Terra si muove sempre più lentamente e soprattutto in modo irregolare, non sempre alla stessa velocità, come presupponeva la definizione del tempo di allora.
trends in automation: Esistono applicazioni pratiche per gli orologi atomici?
Ullrich: Gli orologi atomici vengono impiegati, ad esempio, nei satelliti di localizzazione GPS americani o GLONASS russi e anche nei primi satelliti del sistema europeo, Galileo. Questi sistemi determinano la posizione in base ai tempi di trasmissione del segnale tra il satellite e la Terra e necessitano, pertanto, di indicazioni temporali estremamente precise. Anche i geodeti intendono tra poco fare misurazioni in ore nel cosmo. In questo modo, è possibile calcolare con estrema precisione la posizione relativa di due satelliti e aggiungere la loro variazione sul campo gravitazionale della Terra, per classificarli completamente. Con misurazioni simili sulla Terra e con orologi ancor più precisi, forse in futuro si potranno rilevare le distribuzioni differenti della massa e, quindi, localizzare le risorse minerarie. Questi sono temi su cui stiamo lavorando insieme a molti ricercatori del QUEST, il cluster di eccellenza della Leibniz Universität Hannover.
trends in automation: Gli orologi sui satelliti hanno la stessa struttura complessa degli orologi atomici del PTB?
Ullrich: Si basano sullo stesso principio, ma sono un po' più compatti e non devono essere altrettanto precisi. Grazie all'attuale trasmissione di segnali, però, le differenze si sono ridotte. Al giorno d'oggi, si possono comprare orologi atomici per molti scopi. Costano tra i 100 € e i 100.000 € per le applicazioni terrestri, ovviamente per le applicazioni satellitari costano di più, e grazie alla collaudata tecnologia in genere funzionano per molti anni senza bisogno di manutenzione.
trends in automation: Dicono che la tecnologia sia ben collaudata. Ma è possibile che un orologio atomico, come ad esempio quello presente qui al PTB, si guasti?
Ullrich: In linea di principio, ovviamente, è possibile, ma abbiamo delle scorte. Solo al PTB, quattro orologi atomici sanciscono il nostro contributo all'ora mondiale. Ad esempio, per la trasmissione dell'ora per gli orologi radiocontrollati, che a Mainflingen, vicino a Francoforte, avviene tramite un trasmettitore a onde corte, lì ci sono altri tre orologi atomici che vengono sincronizzati regolarmente con gli orologi del PTB.
trends in automation: How do you ensure that the clocks all over the world are correct?
Ullrich: As I mentioned earlier, we have what we call Coordinated Universal Time, which is valid for 24 time zones and is determined by around 400 atomic clocks worldwide. The clocks are compared with one another and a mean value is created. Less accurate clocks have a lower weighting than more accurate clocks. This value is then checked to establish if it matches the best clocks in the world, including our atomic clocks at the PTB. The values determined in this process are released as Coordinated Universal Time by the International Bureau of Weights and Measures (BIPM), which has been based in Sèvres, near Paris, since 1875. This happens once a month. It is also important that all atomic clocks take altitude into account because, according to Einstein, time is influenced by the gravitational field.
trends in automation: How long is the current definition of time likely to be valid?
Ullrich: Certainly for a few more years, though the next generation of clocks is already in sight. These so-called optical clocks are likely to be at least several hundred times more accurate than the best atomic clocks available today. They operate according to a similar principle. However, the radiation that we use here to excite the electrons has an oscillation frequency 100,000 times higher and is in the visible range. Instead of
microwave radiation, optical clocks run with light from highprecision lasers.
At the PTB we already have two different optical clocks, both of which are around ten times more accurate than our atomic clocks. Over the coming years, however, we will have to compare and observe different optical clocks around the world to determine whether they all tick the same and with what kind of inaccuracy. This will take at least as long as it takes for the definition of a second to be adapted to the new technical possibilities.
trends in automation: Which role does collaboration with international partners play in such new developments?
Ullrich: Since the signing of the Metre Convention in 1875, we metrologists work together very closely and constructively, which I think is excellent. Of course, there is also competition. At the end of the day, everyone wants to have the best clock. In this regard, we have been very successful. Our fountain atomic clocks are among the most accurate in the world. In the area of optical clocks, we are currently involved in a friendly head-to-head race with our partner, the National Institute of Standard and Technology (NIST) in the USA.
trends in automation: Professionally, you work very intensively on this topic. Does your job influence your own personal relationship with time?
Ullrich: I think time is an extremely valuable asset. I therefore try to use it wisely. For example, I complete various tasks that require intensive concentration in blocks if possible. When that is the case I don’t like to be disturbed, because you work extremely inefficiently if you have to keep starting over again. I generally tend to work like that early in the morning or at weekends, and tend to use my mobile phone and the Internet very little.
The most difficult thing is getting the balance right between time spent working and time with my family. This is partly due to the fact that I love my job and often don’t even see it as work. I sometimes forget the time.
Joachim Ullrich has been President of the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Germany’s national metrology institute, based in Braunschweig since 2012. Prior to that, he was was Director of the Max Planck Institute for Nuclear Physics in Heidelberg and headed up the Experimental Few-Particle Quantum Dynamics division. He is internationally renowned not only as President of the National Metrology Institute, but also as an expert in quantum physics and experiments with free-electron lasers carried out at DESY in Hamburg and the SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford, USA. He has received numerous awards for his work, including the Gottfried Wilhelm Leibniz Award of the German Research Foundation (DFG) and the Philip Morris Research Prize.